(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
前記インバータにより誘導電動機を無励磁状態にしてフライホイールを慣性による自由回転状態に維持し、
系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、通常の制御特性に対して磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置。
【請求項２】
軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
前記インバータにより誘導電動機を無励磁状態にしてフライホイールを慣性による自由回転状態に維持し、
系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、通常の制御特性に対して磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置の制御方法。
【請求項３】
前記磁気軸受装置は、誘導発電機のロータ位置をＰＩＤ制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する、ことを特徴とする請求項２に記載のフライホイール型無停電電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライホイールに慣性エネルギーを蓄積するフライホイール型無停電電源装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フライホイール型無停電電源装置とは、フライホイールに慣性エネルギーを蓄積し、停電時にその慣性エネルギーで発電する無停電電源装置である。かかる無停電電源装置は、例えば特許文献１に開示されている。
また、この無停電電源装置に適用可能な磁気軸受装置は、例えば特許文献２，３に開示されている。
【０００３】
特許文献１のフライホイール型無停電電源装置は、フライホイールの慣性による自由回転状態において誘導電動機を無励磁状態にし、必要なときに再励磁を短時間に実行できることを目的とする。
そのため、図６に示す装置において、フライホイール５９には、慣性エネルギーが蓄積された状態となる。このような状態で、例えば停電が発生した場合、かご型誘導電動機５８を今度はフライホイール５９の回転力を基に発電機として動作させる。このかご型誘導電動機５８で発電された交流のエネルギーは、フライホイール用インバータ５１に供給される。そして、フライホイール用インバータ５１で交流から直流に変換された直流の電圧が直流電圧計５５で計測されながら、直流バス５４に供給される。負荷用インバータ５７は、直流バス５４に供給された前記発電された電力を、例えば５０Ｈｚの交流とし、負荷５３に供給する。なお、５２は電源、５６は整流装置である。
【０００４】
特許文献２の磁気軸受装置は、回転軸の減速期間においても、良好な制御を行えることを目的とする。
そのため、特許文献２では、回転軸を半径方向に支持する少なくとも２つの磁気軸受部と回転軸の回転加減速を行なう駆動部とを備えた磁気軸受装置において、回転軸の半径方向の変位変動量を比例要素，積分要素，微分要素を含むＰＩＤ制御を行なって得られるＰＩＤ制御値を磁気軸受部にフィードバックするＰＩＤフィードバック制御回路を備え、そのＰＩＤフィードバック制御回路は、駆動部を直流ブレーキとして作用させて回転軸を減速させる期間において、ＰＩＤ制御中の比例要素のゲインを変更することによって、減速期間においても非減速期間と同様の応答特性を得るものである。
【０００５】
特許文献３の磁気軸受装置は、電磁石に供給する励磁電流を大きくせずに、電磁石による負荷容量を大きくすることを目的とする。
そのため、特許文献３では、図７に示すように、複数対の電磁石６１，６２により回転体６３がアキシアル制御軸方向およびラジアル制御軸方向に非接触支持される。磁気軸受装置は、各制御軸について、１対の電磁石、回転体の位置を検出して位置検出信号Ｚｓを出力する位置検出手段６４，６５、浮上基準位置信号を出力する浮上基準位置信号出力手段、浮上基準位置信号および位置検出信号に基づいて積分出力を含む電磁石制御信号（Ｉｏ＋Ｉｃ），（Ｉｏ−Ｉｃ）を出力する電磁石制御信号出力手段、ならびに電磁石制御信号に基づいて電磁石を駆動する電磁石駆動手段６６を備えている。浮上基準位置信号出力手段が、浮上基準位置信号を、積分出力が予め設定された制御系積分出力範囲内になるように変更するものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５９５８７号明細書、「発電回生装置、及び発電回生装置の励磁方法、並びに発電回生装置の発電方法」
【特許文献２】特開平８−２１９１５５号明細書、「磁気軸受装置」
【特許文献３】特開２００２−３４９５６７号明細書、「磁気軸受装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のフライホイール型無停電電源装置では、待機運転中は誘導電動機を無励磁状態にして低損失化を図っている。この状態で、停電等で系統電圧低下を検出すると、誘導電動機を高速で励磁して発電機として動作させ、フライホイールを減速させながら数十秒間の発電を行う。
しかし、系統電圧低下を検出し高速（例えば１００〜２００μｓｅｃ程度）で励磁すると、発電機内で不平衡吸引力が生じ、この不平衡吸引力により発電機のロータが一方向に引き寄せられる現象が生じる。
この不平衡吸引力は、発電機のロータとステータの隙間（例えば１ｍｍ程度）の不均一性などに起因し、励磁速度が速ければ速いほど、また、発電出力が大きければ大きいほど、不平衡吸引力が大きくなる。
【０００８】
一方、発電機のロータを支持する軸受に磁気軸受を用いる場合、磁気軸受を構成する電磁石は、ロータに近接して位置し（隙間０．３〜０．４ｍｍ程度）、ロータの位置変位をフィードバック制御して位置を保持する。
このフィードバック制御は、位置制御の動特性を高めるため、位置変位に比例する比例制御（Ｐ制御）と、速度に比例する微分制御（Ｄ制御）が主に用いられる。
【０００９】
そのため、磁気軸受のように非接触型の軸受の場合、誘導電動機を無励磁状態から高速で励磁すると、磁気軸受の静剛性が不足してロータが一方向に引き寄せられ、この変位により磁気軸受のロータが補助軸受に接触して損傷するおそれがあった。また、ロータの変位により磁気軸受の制御電流が極端に増加し、損失が大幅に増加する問題点もあった。
【００１０】
そのため、従来は、上記問題点を回避するため、例えば以下の対策がなされていた。
（１）磁気軸受の静剛性を考慮し、無励磁状態から励磁する速度を遅くする。
（２）磁気軸受の静剛性を考慮し、発電機出力を低くする。
しかし、これらの対策の結果、系統電圧低下の検出から無停電電源装置による発電開始までの、停電時間が長期化する（例えば２００〜３００ｍｓｅｃ程度）、或いは発電出力が不足するなど、無停電電源装置の機能が損なわれる問題点があった。
【００１１】
本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、発電機を無励磁状態から励磁する際に発生するロータの半径方向変位を大幅に低減することができ、これにより励磁速度を高速に維持し、発電機出力を高く維持したままで、ロータと磁気軸受の接触を防止し、ロータ変位による制御電流の増加と損失を大幅に抑制することができるフライホイール型無停電電源装置とその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
前記インバータにより誘導電動機を無励磁状態にしてフライホイールを慣性による自由回転状態に維持し、
系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、通常の制御特性に対して磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置が提供される。
【００１３】
また本発明によれば、軸心を中心に回転して慣性エネルギーを蓄えるフライホイールと、
該フライホイールに連結されこれを回転駆動しかつこれから回転駆動されて発電する電動機兼用の誘導発電機と、
該誘導発電機に励磁電圧を印加して励磁すると共に誘導発電機で発電した交流電圧を直流電圧に変換するインバータと、
前記誘導発電機のロータの回転を非接触で支持する磁気軸受装置とを備え、
前記インバータにより誘導電動機を無励磁状態にしてフライホイールを慣性による自由回転状態に維持し、
系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、通常の制御特性に対して磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高める、ことを特徴とするフライホイール型無停電電源装置の制御方法が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記磁気軸受装置は、誘導発電機のロータ位置をＰＩＤ制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明の装置および方法によれば、系統電圧低下の検出により、インバータに励磁指令を送りインバータにより誘導電動機に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで、磁気軸受装置の積分制御を強めて静剛性を高めるので、磁気軸受装置の静剛性を誘導発電機の励磁と同時又は先行して高めることができ、制御的な遅れが生じない。
【００１６】
従って、発電機を無励磁状態から励磁する際に発生するロータの半径方向変位を大幅に低減することができ、これにより励磁速度を高速に維持し、発電機出力を高く維持したままで、ロータと磁気軸受の接触を防止し、ロータ変位による制御電流の増加と損失を大幅に抑制することができる。
【００１７】
また、本発明はＰＩＤ制御に限定されないので、各種制御手法において積分を使用しているコントローラ全てに適用可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明のフライホイール型無停電電源装置の全体構成図である。
この図において、１は系統入力（例えばＡＣ４００Ｖ、３相、５０／６０Ｈｚ）であり、２は負荷側出力（例えばＡＣ４００Ｖ、３相、５０／６０Ｈｚ）である。また３はＡＣ／ＤＣコンバータ、４はＤＣ／ＡＣコンバータ、５はその間を結ぶＤＣ母線である。
【００２０】
この構成により、系統入力１の交流電圧をＡＣ／ＤＣコンバータ３で直流電圧（例えばＤＣ６００Ｖ、単相）に変換し、さらにＤＣ／ＡＣコンバータ４で交流電圧に変換して図示しない負荷装置に供給することができる。この状態は、系統入力１から負荷側出力２に交流電圧を直接供給する場合と実質的に同一である。
【００２１】
図１において、本発明のフライホイール型無停電電源装置１０は、さらに、フライホイール１２、電動機兼用の誘導発電機１４、インバータ１６、電圧検出器１８および磁気軸受装置２０を備える。なお、１１はキャパシタ、１５は統括コントローラである。
【００２２】
キャパシタ１１は、コンデンサ又は蓄電池であり、ＤＣ母線５に接続され、インバータ１６を作動させる最小限の電力を蓄積する。
統括コントローラ１５は、電圧検出器１８の出力信号に応じて、インバータ１６と磁気軸受装置２０に指令信号を出力する。
【００２３】
フライホイール１２は、例えばＣＦＲＰ製であり、鉛直な軸心を中心に高速回転して慣性エネルギーを蓄える。フライホイール１２の定格回転速度は、例えば１３０００ｒｐｍ（２１０Ｈｚ）である。
【００２４】
電動機兼用の誘導発電機１４は、ロータ１４ａとステータ１４ｂとからなり、ロータ１４ａがフライホイール１２に連結されている。この誘導発電機１４は、フライホイール１２を回転駆動する電動機と、フライホイール１２により回転駆動されて発電する発電機との両方の機能を有する。以下、電動機兼用の誘導発電機１４を単に「誘導発電機」と呼ぶ。
【００２５】
インバータ１６は、ＤＣ母線５と誘導発電機１４の間に位置し、誘導発電機１４のステータ１４ｂに励磁電圧を印加して励磁して誘導発電機１４を電動機として作動させ、或いは、誘導発電機１４で発電した交流電圧を直流電圧に変換する機能を有する。
電圧検出器１８は、この例ではＤＣ母線５に取り付けられた電圧計であり、直流電圧を供給する系統電圧（この例ではＤＣ母線５の電圧）を検出し、統括コントローラ１５に出力する。なお、電圧検出器１８は、系統入力１又は負荷側出力２に取付けてもよい。
【００２６】
磁気軸受装置２０は、電磁石２０ａ、位置検出器２０ｂ、および磁気軸受制御装置２２からなり、誘導発電機のロータ１４ａの回転を非接触で支持するようになっている。なお、以下の例において、磁気軸受装置２０はロータ１４ａのラジアル方向を支持する磁気軸受であるが、スラスト方向を同様に支持してもよい。
【００２７】
図２は、図１の部分拡大図であり、図３は、本発明による磁気軸受装置の構成図である。
【００２８】
図３において、本発明の磁気軸受装置２０は、少なくとも１対の電磁石２０ａ、ロータ１４ａに直結されたロータ支持部１４ｃ、位置検出器２０ｂ及び磁気軸受制御装置２２を備える。１対の電磁石２０ａは、互いに対向して配置される。
なお、２１は、１対の電磁石２０ａを駆動するためのパワーアンプである。
【００２９】
ロータ支持部１４ｃは、１対の電磁石２０ａの間に配置されその中間位置に保持される。この例において、ロータ支持部１４ｃは、例えば鉛直軸であり、磁気軸受により図で左右方向に支持されており、重力方向の影響を受けないようになっている。なお、上下方向の支持は、別の磁気軸受で行なわれる。
【００３０】
位置検出器２０ｂは、非接触式の位置センサであり、ロータ支持部１４ｃの位置ｘを検出する。
なお、ロータ支持部１４ｃの位置ｘの代わりに、或いはこれと併用してロータ支持部１４ｃの半径方向速度を検出してもよい。また、このセンサは、変位センサ、速度センサのいずれか一方でもよいが、両方を備えてもよい。
【００３１】
図４は、本発明による磁気軸受装置２０の制御方法を示すブロック図である。この図に示すように、磁気軸受装置２０は、誘導発電機のロータ位置ｘをフィードバックし、ロータ位置ｘを所定の中立位置に維持するようになっている。
磁気軸受制御装置２２は、誘導発電機のロータ位置ｘをＰＩＤ制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する。
【００３２】
図５は、ＰＩＤ制御の説明図である。この図において、（Ａ）は比例制御（Ｐ制御）、（Ｂ）は積分制御（Ｉ制御）、（Ｃ）は微分制御（Ｄ制御）、（Ｄ）はＰＩＤ制御の各特性を示している。各図において、横軸は対数目盛の角周波数ω、縦軸はゲインＧ［ｄＢ］である。
ＰＩＤ制御は、位置変位ｘに比例する吸引力ｕを出力する比例制御（Ｐ制御）と、位置変位ｘの時間積分に比例する吸引力ｕを出力する積分制御（Ｉ制御）と、位置変位ｘの時間微分（速度）に比例する吸引力ｕを出力する微分制御（Ｄ制御）とを組み合わせた制御をいう。
比例制御（Ｐ制御）はバネとして、微分制御（Ｄ制御）はバネに並列したダンパーとして、積分制御（Ｉ制御）は低周波に適したバネ（静剛性）として機能する。
従って、磁気軸受制御装置２２は、位置制御の動特性を高めるため、通常の運転状態（無励磁状態と励磁状態）において、比例制御（Ｐ制御）と微分制御（Ｄ制御）を主体とする。
【００３３】
一方、ゼロバイアス制御とは、ロータ支持部１４ｃの変位ｘと速度ｖから、制御方向の加速度に正比例する変数Ｚを求め、この変数の正負に応じて、一方の電磁石の制御電流をゼロとし、他方の電磁石の制御電流のみを制御する制御手段をいう。
このゼロバイアス制御は、本出願人による未公開特許（特願２００７−０９０４９８号：平成１９年３月３０日出願）に開示されている。
【００３４】
図１において、本発明のフライホイール型無停電電源装置１０は、通常時において、インバータ１６により誘導発電機１４に励磁電圧を印加して励磁してフライホイール１２を加速し、所定の回転速度、例えば１３０００ｒｐｍ（２１０Ｈｚ）に達したのち、インバータ１６により誘導電動機１４を無励磁状態にしてフライホイール１２を慣性による自由回転状態に維持する。
【００３５】
この自由回転状態では、磁気軸受制御装置２２により、誘導発電機のロータ位置ｘを上述したＰＩＤ制御又はゼロバイアス制御によりフィードバック制御する。以下、これらの制御特性を「通常の制御特性」と呼ぶ。
【００３６】
この自由回転状態において、例えば停電により電圧検出器１８が系統電圧低下を検出した場合、統括コントローラ１５により、インバータ１６と磁気軸受装置２０に同時に指令信号を出力する。
なお、系統電圧低下の前兆を検出して、インバータ１６よりも先行して磁気軸受装置２０に指令信号を出力するようにしてもよい。
この指令信号により、インバータ１６により誘導電動機１４に励磁電圧を印加する。また、同時又は先行して、磁気軸受制御装置２２により、図５（Ｄ）に破線で示すように、通常の制御特性に対して磁気軸受装置２０の積分制御（Ｉ制御）を強めて静剛性を高める。
積分制御（Ｉ制御）の強さは、誘導電動機を高速（例えば１００〜２００μｓｅｃ程度）で励磁して発電機として動作させた場合に、発電機内で発生する不平衡吸引力に抗し、この変位が磁気軸受の隙間未満となるように設定する。
また、この積分制御（Ｉ制御）は、誘導発電機の発電電圧が所定の電圧になるまで持続し、その後は、上述した通常の制御特性に戻すのが好ましい。
【００３７】
上記本発明の装置および方法によれば、系統電圧低下の検出により、インバータ１６に励磁指令を送りインバータ１６により誘導電動機１４に励磁電圧を印加し、同時又は先行して、誘導発電機１４の発電電圧が所定の電圧になるまで、磁気軸受装置２０の積分制御を強めて静剛性を高めるので、磁気軸受装置２０の静剛性を誘導発電機１４の励磁と同時又は先行して高めることができ、制御的な遅れが生じない。
【００３８】
従って、発電機１４を無励磁状態から励磁する際に発生するロータ１４ａの半径方向変位（ロータ位置）ｘを大幅に低減することができ、これにより励磁速度を高速に維持し、発電機出力を高く維持したままで、ロータ１４ａ（ロータ支持部１４ｃ）と磁気軸受２０との接触を防止し、かつロータ変位（ロータ位置）ｘによる制御電流の増加と損失を大幅に抑制することができる。
また、本発明はＰＩＤ制御に限定されないので、各種制御手法において積分を使用しているコントローラ全てに適用可能となる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のフライホイール型無停電電源装置の全体構成図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】本発明による磁気軸受装置の構成図である。
【図４】本発明による制御方法のブロック図である。
【図５】ＰＩＤ制御の説明図である。
【図６】特許文献１の装置の模式図である。
【図７】特許文献３の磁気軸受装置の模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  系統入力、２  負荷側出力、３  ＡＣ／ＤＣコンバータ、
４  ＤＣ／ＡＣコンバータ、５  ＤＣ母線、
１０  フライホイール型無停電電源装置、１１  キャパシタ、
１２  フライホイール、１４  電動機兼用誘導発電機、
１４ａ  ロータ、１４ｂ  ステータ、１４ｃ  ロータ支持部、
１５  統括コントローラ、１６  インバータ、
１８  電圧検出器（電圧計）、２０  磁気軸受装置、
２０ａ  電磁石、２０ｂ  位置検出器（位置センサ）、
２１  パワーアンプ、２２  磁気軸受制御装置
【図１】
0005376199.tif 000002
【図２】
0005376199.tif 000003
【図３】
0005376199.tif 000004
【図４】
0005376199.tif 000005
【図５】
0005376199.tif 000006
【図６】
0005376199.tif 000007
【図７】
0005376199.tif 000008